CR-39

CR-39 (аллилдигликолькарбонат) — это прозрачный термореактивный полимер, относящийся к классу синтетических органических стёкол. Материал широко используется в производстве очковых линз, защитных очков, оптических элементов и в некоторых отраслях промышленности благодаря сочетанию высокой оптической прозрачности, ударной вязкости и лёгкости.

Материал был разработан в 1940-х годах в США компанией Columbia-Southern Chemical Corporation (впоследствии вошедшей в состав PPG Industries). Химическое название — поли(аллилдигликолькарбонат). Сокращение CR расшифровывается как «Columbia Resin» (смола Columbia), а число 39 обозначает порядковый номер разработки в серии экспериментальных смол. Коммерческое производство и широкое внедрение CR-39 началось в 1950-х годах, первоначально для изготовления линз для военных очков и защитных экранов.

Химическая структура и свойства

CR-39 получают полимеризацией мономера — аллилдигликолькарбоната (диэтиленгликоль бис(аллилкарбонат)). Реакция протекает по механизму радикальной полимеризации с образованием густой трёхмерной сетки (сшитого полимера). В качестве инициатора обычно используют пероксиды (например, диизопропилпероксидикарбонат). Полимеризация проводится в формах (пресс-формах) при нагревании до 70–90 °C.

Основные физико-химические характеристики

Материал устойчив к большинству растворителей, разбавленных кислот и щелочей, а также к ультрафиолетовому излучению. Он не поддерживает горение и обладает низкой теплопроводностью.

Производство очковых линз

Основное применение CR-39 — изготовление очковых линз для коррекции зрения. Процесс включает несколько этапов:

1. Подготовка мономера — смешивание аллилдигликолькарбоната с инициатором и, при необходимости, с красителями или УФ-абсорберами.
2. Заливка в формы — смесь заливают в разборные стеклянные или металлические формы, задающие кривизну поверхности.
3. Полимеризация — формы помещают в печь с программируемым нагревом. Полимеризация длится 12–24 часа, после чего линзу извлекают.
4. Обработка — линзу шлифуют, полируют, наносят просветляющие, упрочняющие или гидрофобные покрытия.

Линзы из CR-39 примерно вдвое легче минерального стекла (плотность 1,32 против 2,5 г/см³). Они обладают высокой оптической чистотой (отсутствие пузырей, свилей) и хорошей цветопередачей благодаря высокому числу Аббе (низкая хроматическая аберрация). Ударная вязкость CR-39 в несколько раз выше, чем у необработанного минерального стекла, что делает материал предпочтительным для детских и спортивных очков.

Сравнение с другими материалами для очковых линз

CR-39 уступает поликарбонату по ударной вязкости, но превосходит его по оптической чёткости и устойчивости к царапинам (при наличии упрочняющего покрытия). Высокоиндексные материалы позволяют делать линзы тоньше, но имеют более высокую хроматическую аберрацию.

Применение в защитных очках и оптике

Благодаря ударной вязкости и лёгкости CR-39 широко используется в защитных очках для промышленности, лабораторий, спорта (горные лыжи, велоспорт, стрельба). Материал выдерживает воздействие мелких осколков, песка, капель химикатов. В военной и авиационной оптике из CR-39 изготавливают линзы для приборов ночного видения, прицелов, визиров.

В фото- и видеотехнике из CR-39 делают защитные фильтры (в том числе УФ-фильтры), светофильтры для студийного освещения, элементы проекционных систем. Полимер также применяется в производстве микроскопных предметных стёкол и кювет для спектрофотометрии.

Другие области использования

• Осветительная техника — рассеиватели света для светодиодных ламп и светильников.
• Автомобильная промышленность — элементы оптики фар, защитные колпаки указателей поворота.
• Медицина — линзы для диагностических приборов (офтальмоскопы, ретиноскопы), защитные экраны для УФ-ламп.
• Строительство — прозрачные панели для остекления (ограниченно, из-за горючести).
• Судостроение — иллюминаторы малых судов, защитные стёкла приборов.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая оптическая прозрачность (92 % светопропускания).
• Низкая плотность (лёгкость).
• Хорошая ударная вязкость (в 10–15 раз выше, чем у минерального стекла).
• Высокое число Аббе (минимальная хроматическая аберрация).
• Устойчивость к УФ-излучению и большинству химикатов.
• Относительно низкая стоимость по сравнению с высокоиндексными полимерами.

Недостатки

• Низкая стойкость к царапинам без защитного покрытия.
• Ограниченная термостойкость (деформация при температуре выше 130 °C).
• Горючесть (поддерживает горение, выделяет токсичные продукты).
• Невозможность переработки вторично (термореактивный полимер не плавится).
• Более высокая плотность по сравнению с поликарбонатом (1,32 против 1,20 г/см³).

История и развитие

Первые упоминания о CR-39 относятся к 1941 году, когда химики Columbia-Southern Chemical Corporation искали альтернативу минеральному стеклу для военных нужд. После Второй мировой войны технология была адаптирована для гражданского рынка. В 1950-х годах компания American Optical начала массовое производство очковых линз из CR-39. К 1970-м годам материал стал доминирующим в офтальмологии, вытеснив минеральное стекло из большинства рецептурных очков.

В 1980-х годах появились первые упрочняющие покрытия (на основе кремнийорганических соединений), значительно повысившие износостойкость линз. В 1990-х годах началось использование CR-39 в комбинации с фотохромными добавками (линзы, темнеющие на свету). В 2000-х годах материал уступил часть рынка поликарбонату и высокоиндексным полимерам, но остаётся востребованным в сегменте недорогих и оптически качественных линз.

Интересные факты

• Название CR-39 не имеет отношения к калибру .308 (7,62 мм) или какому-либо оружию — это исключительно заводской индекс смолы.
• Из CR-39 изготавливают линзы для очков виртуальной реальности (например, для шлемов Oculus Rift и HTC Vive) благодаря низкой дисперсии (высокому числу Аббе).
• Материал используется в производстве некоторых моделей часовых стёкол (защита циферблата).
• В 1960-х годах CR-39 применялся для изготовления иллюминаторов космических кораблей программы «Меркурий» (США).

Источники

• Handbook of Optical Materials — Marvin J. Weber, CRC Press, 2003.
• Polymer Data Handbook — James E. Mark, Oxford University Press, 1999.
• Ophthalmic Lenses and Dispensing — David C. G. L. W. J. B. M. J. Butterworth-Heinemann, 2005.
• Encyclopedia of Polymer Science and Technology — John Wiley & Sons, 2007.
• PPG Industries — Technical Data Sheet for CR-39 Monomer (архивные материалы).
• А. В. Бурмистров, Оптические материалы и технологии — Издательство «Лань», 2019.